44 [ Tecnologa Lctea Latinoamericana N 87 ] 2015

[ P r o c e s o s ]

>

Introduccin El suero representa entre el 80 y el 90% del volumentotal de la leche que va a ser procesada y contiene apro-ximadamente el 50% de los nutrientes de la leche ori-ginal: protenas solubles, lactosa, vitaminas y salesminerales. A travs de su tratamiento con distintas tec-nologas pueden obtenerse diferentes subproductos. Losprincipales factores que motivaron su utilizacin fueronel impacto ambiental, el aprovechamiento de losnutrientes que presenta y el aumento de la demanda desus subproductos por parte de mercados locales e inter-nacionales. Este documento brinda informacin sobre elproceso de produccin de lactosa en polvo (grado ali-mentario y farmacolgico) y sobre el proceso de produc-cin de protenas concentradas de suero (Whey ProteinConcentrates - WPC) y aislados proteicos de suero(Whey Protein Isolates WPI).

Composicin del lactosuero En la tabla 1 se muestra la composicin aproximada dellactosuero. Se observa que el componente mayoritarioes el agua, pero presenta una cantidad importante demateria orgnica (lactosa y protenas principalmente).

Pretratamiento del suero Independientemente del tratamiento posterior, la pri-mera etapa que se efecta es la separacin de la grasay de los finos de casena (Figura 1), ya que interfieren enlos pasos posteriores. En el suero siempre se encuentranpresentes finas partculas de casena. stas tienen unefecto adverso en el proceso de separacin de la grasa,por eso deben ser separadas en primer lugar. El sueroque va a ser almacenado, antes de su tratamiento debeser enfriado o pasteurizado tan pronto como se separala grasa contenida en el mismo. Cuando el almacena-miento va a ser corto (10-15 horas), el enfriamiento essuficiente para reducir la actividad bacteriana. Si elsuero va a estar almacenado por perodos ms largos esnecesario proceder a su pasteurizacin.

Aprovechamiento de la lactosa La lactosa, el llamado azcar de la leche, es un disacridonatural con peso molecular de 342 g/mol. La lactosa estformada por la unin (1-4) de la -D-galactopiranosa(galactosa) y la o -D-glucopiranosa (glucosa). Existebajo dos formas ismeras: y , que se diferencianestructuralmente slo en la posicin del -OH en el carbo-

Procesamiento del lactosuero:elaboracin de lactosa y

aprovechamiento de protenas Kreczmann, Braulio2; Alonso, Alba2; Liloia, Matas2; Zamboni, Enzo1-2; Cerutti, Ral1;

Baroni, Dante1 y Polujn Dianela11Ctedra de Tecnologa de Leche - Departamento de Salud Pblica - Facultad de Ciencias Veterinarias -

Universidad Nacional del Litoral. Esperanza, Santa Fe, Argentina. 2Diagramma S.A. Biotecnologa. Santa Fe, Argentina

no monomrico de la glucosa. Sin embargo, difieren apre-ciablemente en sus propiedades fsicas (Tabla 2), lo queconduce que tengan distintas aplicaciones.

La lactosa en estado slido puede presentarse enestado cristalino o en estado amorfo. La lactosa en esta-do cristalino puede existir en diferentes formas. Las msconocidas son la -lactosa y - lactosa. Tambin existendos formas de -lactosa anhidra cristalina, la forma esta-ble y la inestable (higroscpica). Adems se conoce laexistencia de una forma cristalina llamada mixta, quecontiene tanto -y -lactosa en una especial red crista-lina. La cristalinidad es el resultado de una disposicinaltamente ordenada de las molculas de lactosa. La lac-tosa amorfa carece de cristalinidad y la disposicin de las

molculas es ms o menos aleatoria. A conti-nuacin se describen las formas ms frecuen-tes de lactosa slida.

A. -lactosa monohidratada La forma ms comn de obtener la lactosa enforma slida es cristalizando una solucin sobre-saturada. Cuando la cristalizacin se realiza atemperaturas inferiores a 93,5C, se obtienencristales de -lactosa monohidratada, es decirque cada molcula de lactosa est asociada conuna molcula de agua, la cual no se eliminadurante los procesos normales de secado. Este

tipo de lactosa se usa en la industria farmacutica comoexcipiente.

B. -lactosa Cuando una solucin concentrada de lactosa se cristalizaa temperaturas superiores a 93,5C, se forman exclusiva-mente cristales de -lactosa, los cuales comparados conlos cristales de -lactosa monohidratada, son ms frgilesy no contienen agua en su estructura cristalina. La pure-za isomrica es aproximadamente el 80% -lactosa y el20% restante -lactosa anhidra. Este tipo de lactosa seutiliza principalmente como material de relleno agluti-nante para la produccin de comprimidos.

[ Tecnologa Lctea Latinoamericana N 87 ] 2015 [ 45

C. Lactosa amorfa Cuando una solucin de lactosa altamente concentradase seca muy rpidamente, como por ejemplo secado porpulverizacin, se obtiene una masa de lactosa en esta-do vtreo la cual es muy higroscpica. Este estado vtreoes una forma de lactosa amorfa que contiene tanto -y -lactosa. Una aplicacin de la lactosa amorfa es laformacin de comprimidos por compresin directa.

Usos generales El polvo de la lactosa cristalizado es muy utilizado en laindustria alimentaria debido sus propiedades funciona-les. As, por ejemplo, se utiliza en confitera, pastelera,salsas, zumos o helados, debido a su reduccin del dul-zor (30% de la sacarosa), aumento de viscosidad, mejo-ra de la textura y realce del sabor. Debido a su balancenutricional, se utiliza en frmulas infantiles y en ali-mentos para diabticos. Por sus propiedades de solubi-lidad y absorcin, la lactosa es muy utilizada como veh-culo en aromas voltiles y colorantes alimenticios.Adems, la forma ms pura de -lactosa es ampliamen-te utilizada en la industria farmacutica como excipien-te, es decir, un componente qumicamente inerte que seaade al sistema de fabricacin para proteger o mejorarla disponibilidad biolgica del medicamento o mejorarcualquier aspecto de seguridad del mismo. As la -lac-tosa es el segundo componente ms empleado comorelleno en comprimidos, cpsulas y otras formas demedicamentos orales.

Produccin de la lactosa grado alimentario La lactosa es el principal constituyente del suero. Parasu produccin se puede utilizar como materia prima lac-tosuero o permeado de lactosuero proveniente de laultrafiltracin (suero desprotenizado). Las etapas queintervienen en el proceso son las siguientes:

Concentrado. En primer lugar se efecta un concentra-do mediante la evaporacin del lactosuero, previo a estaetapa se suelen utilizar plantas de osmosis inversa (OI)de diseo tubular para efectuar una pre-concentracinantes de que el suero se enve al evaporador donde serealizara la concentracin final. Tras la evaporacin sealcanza una concentracin de 65% de slidos, aproxi-madamente. En estas condiciones de concentracin y enfro, se puede inducir la cristalizacin de la lactosa.

Cristalizacin. El ciclo de la cristalizacin est determi-nado por una serie de factores: superficie de cristalesdisponible para crecimiento; pureza de la solucin; gradode saturacin, temperatura, viscosidad y agitacin de loscristales en la solucin. Varios de estos factores estnrelacionados entre s, por ejemplo el grado de saturaciny viscosidad. Normalmente, durante la cristalizacin seaaden cristales de lactosa (ncleos) para acelerar la

misma. El grado de cristalizacin viene en principio deter-minado por la cantidad de -lactosa convertida a laforma buscada -lactosa, por lo que el enfriamiento delconcentrado debe ser controlado y optimizado de formacuidadosa (temperatura de cristalizacin < 93,5C).Despus de este proceso, que puede llegar a durar variosdas, la melaza de cristales pasa a decantadores centrfu-gos donde los cristales de la lactosa se enjuagan y seseparan del licor madre, el tamao de los mismos debeser superior a 0,2 mm, ya que cuanto mayor sean, mejorse puede efectuar la separacin.

Separacin de la lactosa. Se pueden utilizar varios tiposde centrfugas para la recoleccin de los cristales delactosa. Generalmente se emplean decantadores centr-fugos horizontales que trabajan de forma continua y tie-nen un tornillo transportador para la descarga de la lac-tosa. Con el objetivo de conseguir una separacin mseficiente entre los cristales y la solucin madre se puedeninstalar dos decantadores en serie. Durante la separacin,las impurezas de la lactosa se eliminan por lavado, deforma que se obtiene un alto grado de pureza. El conte-nido residual de humedad de lactosa despus de lasegunda etapa de separacin es inferior al 9%, y la lacto-sa pura representa cerca del 99% de los slidos totalessecos. Cabe destacar que el licor madre -que contienecantidades significativas de protenas, minerales, vitami-na y ms de un 18% de lactosa- se suele utilizar comosuplemento alimentario para ganado.

Secado. Despus de la separacin, se procede al secadode la lactosa hasta alcanzar un contenido residual dehumedad del 0,1 0,5%, dependiendo de la utilizacinque se le vaya a dar al producto. La temperatura duran-te el secado no debe superar los 93C, ya que se forma-lactosa a temperaturas superiores. El tiempo de seca-do debe ser tambin tomado en consideracin. Duranteel secado rpido tiende a formarse una delgada capa delactosa amorfa sobre los cristales -hidratos, lo quepuede dar lugar posteriormente a la formacin de gru-mos. El secado se realiza normalmente en un secador delecho fluidizado. La temperatura se mantiene a 92C y eltiempo de secado es de 15-20 minutos.

Molienda, tamizado y envasado. Tras el proceso desecado se procede a la molienda de los cristales, nor-malmente en un molino de martillos, para finalmenteser tamizados y envasados.

Produccin de la lactosa grado farmacolgico Para obtener lactosa con grado farmacutico es necesa-rio un proceso de refinado. Este proceso consiste enredisolver los cristales de lactosa en agua caliente hastaun concentracin aproximada del 50%. Luego se tratala solucin con carbn activo, que absorbe gran nme-

ro de solutos, incluida la riboflavina, as como protenasy proteasas. El carbn activo se separa por floculacin yposterior filtracin. Tras esto, se lleva a cabo la cristali-zacin y separacin de los cristales por centrifugacin.Tras el secado de estos cristales, se obtiene lactosa congrado farmacutico. Para obtener cristales con una dis-tribucin de tamao especfica, se lleva a cabo lamolienda y tamizado. En la figura 2 se muestra la lneadescripta de produccin de lactosa grado alimentario ygrado farmacutico a partir de lactosuero.

Aprovechamiento del conjunto de protenasLas protenas del lactosuero representan alrededor del20% de las protenas de la leche de vaca. Se caracteri-zan por tener un alto valor biolgico, es decir, sonabsorbidas casi en su totalidad por el sistema digestivo.Los principales componentes, as como las concentra-cin se resumen en la tabla 3.

Estas protenas son muy utilizadas en la indus-tria alimentaria debido a su amplio rango de propieda-des qumicas, fsicas y funcionales. Entre estas ltimas

[ Tecnologa Lctea Latinoamericana N 87 ] 2015 [ 47

se destacan la solubilidad, viscosidad, capacidad deretencin de agua y sus cualidades como agentes geli-ficantes, emulsificantes y espumantes. Para aprovechartodas las propiedades citadas de las protenas del lacto-suero, una de las tcnicas ms utilizadas es la ultrafil-tracin, mediante la cual se obtiene el llamado concen-trado de protenas del lactosuero (WPC) y los aislados deprotenas del lactosuero (WPI). La diferencia entreambos es que el WPC contiene hasta un mximo de85% de protena, mientas que el WPI llega a contenerhasta un 90%.

Obtencin de WPC Los concentrados de protenas de suero se presentancomo polvo fabricado mediante secado del concentradode la ultrafiltracin. Se describen en trminos de sucontenido en protena (porcentaje de protena sobremateria seca), oscilando entre 35 y 80%. Para fabricarun producto con un 35% de protena, el suero lquido seconcentra unas seis veces hasta un contenido de slidostotales aproximadamente del 9%. Para obtener un con-centrado con un 80% de protena, el suero lquido seconcentra unas 20-30 veces mediante ultrafiltracinhasta un contenido de slidos de aproxi-madamente 25%. Este valor se consideracomo el mximo para una operacin eco-nmica, por lo que es necesario diafiltrar elconcentrado para eliminar lactosa y ceni-zas y aumentar la concentracin de prote-nas con relacin a la materia seca total. Ladiafiltracin (DF) es un proceso en el que elagua se aade al alimento conforme serealiza la filtracin con el fin de lavar loscomponentes de bajo peso molecular quepasaran a travs de la membrana, bsica-mente lactosa y sales minerales. Este per-meado se utiliza como materia prima paraobtener lactosa.

Antes de la etapa de la ultrafiltra-cin se pueden realizar tratamientos adi-cionales, como desminerilizacin mediantenanofiltracin (NF). sta se realiza pormedio del uso de membranas de smosisinversa de poros muy pequeos, especial-mente diseadas, en dnde pequeas par-

tculas como ciertos iones monovalentes (sodio, potasio,cloruro) y pequeas molculas orgnicas (como urea yacido lctico) pueden escapar a travs de la membranajunto con el permeado acuoso. En la figura 3 se indicanlas etapas para obtener un concentrado de protenas(WPC) a partir de lactosuero.

En el concentrado se retiene la mayora de lasprotenas puras, normalmente ms del 99%, junto conel contenido de grasa que no se elimin en el desnata-do. La tabla 4 muestra la composicin de algunos tpi-cos concentrados de protena de suero (WPC) en polvo.

Obtencin de WPI Los aislados de protenas del lactosuero se pueden obte-ner, principalmente, por dos mtodos: tecnologa demembrana y tecnologa por intercambio inico. El inter-cambio de iones proporciona una mayor concentracinde protena por kilo de producto final, pero esto es slouna parte de la ecuacin que interesa. Los aislados deintercambio inico, como muchos concentrados desuero, se procesan con altas temperaturas y por tantosacrifican la actividad biolgica de las microfraccionesque existen en el suero de la leche. Estos aislados deintercambio inico se obtienen a travs de una tecnolo-ga denominada columna de intercambio de iones, quesepara las protenas del resto de los componentes delsuero mediante una discriminacin basada en su cargaelctrica. Durante este proceso la mayor parte de loscomponentes bioactivos, que dan valor extra a la prote-na de suero para promover salud y rendimiento, sondesintegrados o pierden totalmente su capacidad biol-gica. Una de las prdidas ms acusadas se produce sobrelos llamados glicomacropptidos (GMP). En su lugar, losaislados de intercambio inico logran aumentar de

Figura 3 Diagrama de flujo del proceso de obtencin de WPC

forma alarmante la concentracin debeta-lactoglobulina, una subfraccinnada interesante ya que su ingestinindiscriminada se asocia a un gran nme-ro de reacciones alrgicas.

La tecnologa de membranas uti-liza etapas en serie de ultrafiltracin (UF)y microfiltracin (MF) para obtener WPI;es decir el permeado de la MF (desengra-sado) se enva a una segunda unidad deUF para una posterior concentracin. Estaetapa tambin incluye diafiltracin (DF).Las membranas de microfiltracin emple-adas para tal fin se disean para retenerpartculas en suspensin en el rango demicras, como es el caso de grasas presen-tes en el lactosuero concentrado. Por otrolado, las membranas de ultrafiltracinempleadas se disean para retener losconstituyentes del lactosuero en el rangomolecular, como es el caso de las protenas, separndo-las de lactosa y otras impurezas presentes en el lacto-suero (materia prima para la produccin de lactosa).Cabe destacar que el tratamiento del concentrado desuero a partir de una ultrafiltracin en una planta demicrofiltracin puede reducir el contenido de grasas delWPC 80-85% en polvo desde el 7,2 % hasta menos del0,4 %. Esta tcnica difiere del intercambio inico en queno hay modificacin qumica de las protenas y que lafraccin de glicomacropptidos es retenida junto conlas dems. Si no hay ajuste de pH y el proceso se llevaa cabo a temperaturas intermedias, el producto finalest casi completamente exento de protenas desnatu-ralizadas. En la figura 4 se indican las etapas del proce-so de desengrasado del concentrado de lactosuero.

Conclusin El procesamiento de suero de lechera mediantes distin-tas tecnologas genera el aprovechamiento de los dis-tintos nutrientes que presenta, convirtindose en unproducto de alto valor agregado. En este documento sedemostr que a partir del lactosuero combinando tec-nologas de membranas se pueden obtener los concen-trados y aislados de protenas (WPC y WPI) y que ade-ms, a partir del permeado de dicho proceso, es factibleproducir lactosa de grado alimentario y farmacolgicocombinando procesos de evaporacin, cristalizacin ysecado en lecho fluidizado.

[ Tecnologa Lctea Latinoamericana N 87 ] 2015 [ 49